Per la prima volta, i fisici hanno ripreso con successo l'ordinamento magnetico a spirale in un materiale multiferroico. Questi materiali sono considerati candidati molto promettenti per i futuri supporti di memorizzazione dei dati. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare le loro scoperte utilizzando sensori quantistici unici sviluppati all'Università di Basilea e in grado di analizzare i campi elettromagnetici su scala nanometrica. I risultati, ottenuti dagli scienziati del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea, l'Istituto svizzero di nanoscienze, l'Università di Montpellier e diversi laboratori dell'Università Paris-Saclay, sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Natura .

I multiferroici sono materiali che reagiscono contemporaneamente ai campi elettrici e magnetici. Queste due proprietà raramente si trovano insieme, e il loro effetto combinato consente di modificare l'ordinamento magnetico dei materiali utilizzando campi elettrici.

Ciò offre un potenziale particolare per nuovi dispositivi di memorizzazione dei dati:i materiali multiferroici possono essere utilizzati per creare supporti di memorizzazione magnetici su scala nanometrica che possono essere decifrati e modificati utilizzando campi elettrici.

I supporti magnetici di questo tipo consumerebbero pochissima energia e opererebbero a velocità molto elevate. Potrebbero essere utilizzati anche nella spintronica, una nuova forma di elettronica che utilizza lo spin degli elettroni e la carica elettrica.

Ordine magnetico a spirale

La ferrite di bismuto è un materiale multiferroico che presenta proprietà elettriche e magnetiche anche a temperatura ambiente. Sebbene le sue proprietà elettriche siano state studiate a fondo, fino ad ora non esisteva un metodo adatto per rappresentare l'ordine magnetico su scala nanometrica.

Il gruppo guidato dal professor Georg-H.-Endress Patrick Maletinsky dello Swiss Nanoscience Institute e del Dipartimento di Fisica dell'Università di Basilea, ha sviluppato sensori quantistici basati su diamanti con centri vacanti di azoto. Questo ha permesso loro, in collaborazione con i colleghi dell'Università di Montpellier e dell'Università Paris-Saclay in Francia, rappresentare e studiare per la prima volta l'ordinamento magnetico di un sottile film di ferrite di bismuto, come riportano in Natura .

Sapere come si comportano gli spin degli elettroni e come è ordinato il campo magnetico è di cruciale importanza per la futura applicazione dei materiali multiferroici come memorizzazione dei dati.

Gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che la ferrite di bismuto mostra un ordinamento magnetico a spirale, con due spin elettronici sovrapposti (mostrati in rosso e blu nell'immagine) che adottano orientamenti opposti e ruotano nello spazio, mentre in precedenza si presumeva che questa rotazione avvenisse all'interno di un piano. Secondo i ricercatori, i sensori quantistici ora mostrano che una leggera inclinazione in questi spin opposti porta alla rotazione spaziale con una leggera torsione.

"I nostri sensori quantistici a diamante consentono non solo analisi qualitative ma anche quantitative. Ciò significa che siamo stati in grado di ottenere per la prima volta un quadro dettagliato della configurazione di spin nei multiferroici, " spiega Patrick Maletinsky. "Siamo fiduciosi che questo aprirà la strada a progressi nella ricerca su questi materiali promettenti".

Offerte di lavoro con proprietà speciali

I sensori quantistici che hanno usato sono costituiti da due minuscoli diamanti monocristallini, i cui reticoli cristallini hanno una vacanza e un atomo di azoto in due posizioni vicine. Questi centri di vacanza di azoto contengono elettroni orbitanti i cui spin rispondono in modo molto sensibile ai campi elettrici e magnetici esterni, consentendo di visualizzare i campi con una risoluzione di pochi nanometri.

Gli scienziati dell'Università di Montpellier hanno effettuato le misurazioni magnetiche utilizzando i sensori quantistici prodotti a Basilea. I campioni sono stati forniti da esperti del laboratorio CNRS/Thales dell'Università Paris-Saclay, leader nel campo della ricerca sulla ferrite di bismuto.

Sensori quantistici per il mercato

I sensori quantistici utilizzati nella ricerca sono adatti allo studio di un'ampia gamma di materiali, in quanto forniscono dati qualitativi e quantitativi precisi e dettagliati sia a temperatura ambiente che a temperature prossime allo zero assoluto.

Per metterli a disposizione di altri gruppi di ricerca, Patrick Maletinsky ha fondato la start-up Qnami nel 2016 in collaborazione con il Dr. Mathieu Munsch. Qnami produce i sensori di diamante e fornisce consulenza applicativa ai propri clienti della ricerca e dell'industria.